南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟工藝的研究

李紅艷，薛長(zhǎng)湖，王靈昭，王玉明，薛 勇

(中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266003)

南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟工藝的研究

李紅艷，薛長(zhǎng)湖，王靈昭，王玉明，薛 勇

(中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266003)

為解決南極磷蝦酶解液氟含量過(guò)高問(wèn)題，以脫氟率為指標(biāo)，利用響應(yīng)面法對(duì)南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟工藝進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，在氯化鈣添加量1.38%，初始pH9.0，反應(yīng)溫度20℃時(shí)，脫氟率達(dá)到89.43%。而且，氯化鈣法脫氟過(guò)程對(duì)酶解液氨基氮、總氮的影響都不顯著，是一種較為理想的脫氟方法。

南極磷蝦，酶解液，響應(yīng)面法，脫氟，氯化鈣

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南極磷蝦胰蛋白酶酶解液 實(shí)驗(yàn)室自制［1］;氯化鈣、氫氧化鈉、硫酸銅、硫酸鉀、冰乙酸、檸檬酸鈉、高氯酸、氯化鈉等 均為分析純。

PHS-3C精密酸度計(jì) 上海雷磁儀器廠;HH-4電熱恒溫水浴鍋 國(guó)華企業(yè);GL-G-Ⅱ立式離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠;JB-1A磁力攪拌器 上海精密科學(xué)儀器有限公司;PF-1氟選擇電極、232甘汞參比電極 上海雷磁精密儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分析方法 氟含量分析:0.1mol/L高氯酸浸提-氟離子選擇電極法;氨基氮含量分析:甲醛滴定法;蛋白質(zhì)含量分析:微量凱氏定氮法;數(shù)據(jù)分析: design expert 7.1.3。

1.2.2 脫氟條件的單因素優(yōu)化

1.2.2.1 氯化鈣添加量的單因素實(shí)驗(yàn) 向酶解液中分別添加0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH不加調(diào)整，25℃水浴反應(yīng)沉降2h，4800r/min離心分離，取上清液回調(diào)pH至初始pH，測(cè)定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.2.2 初始pH的單因素實(shí)驗(yàn) 向酶解液中添加適量的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH分別調(diào)整為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、11.0、12.0，25℃水浴反應(yīng)沉降2h，4800r/min離心分離，取上清液回調(diào)pH至初始pH，測(cè)定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.2.3 沉降時(shí)間的單因素實(shí)驗(yàn) 向酶解液中添加適量的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH不加調(diào)整，25℃水浴分別反應(yīng)沉降0、0.25、0.5、1、2、3、4、5h，4800r/min離心分離，取上清液回調(diào)pH至初始pH，測(cè)定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.2.4 沉降溫度的單因素實(shí)驗(yàn) 向酶解液中添加適量的氯化鈣，磁力攪拌混勻，pH不加調(diào)整，分別于4、25、30、35、40、45℃水浴沉降反應(yīng)1h，4800r/min離心分離，取上清液回調(diào)pH至初始pH，測(cè)定脫氟率和氨基氮損失。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化脫氟條件 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)脫氟率影響較大的氯化鈣添加量、初始pH、反應(yīng)溫度三個(gè)因素，按照Box-Bohnken設(shè)計(jì)法每個(gè)因素取三個(gè)水平，以(-1，0，1)編碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以脫氟率為響應(yīng)值，借助design expert7.1.3軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并建立二次響應(yīng)面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而尋找最佳脫氟條件。共有17個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中12個(gè)為析因點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)以估計(jì)誤差。實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1。

表1 因素水平設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與討論

2.1 氟離子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

由0.1mol/L高氯酸浸提-氟離子選擇電極法，獲得氟離子檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=58.6x-246.16，其中，y為電勢(shì)值(mV)，x為氟離子濃度的對(duì)數(shù)［lgC (F-)］，R2為0.9998，在氟濃度0.05～500mol/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 氯化鈣添加量對(duì)脫氟的影響 由圖1可以看出，隨著氯化鈣添加量的增加，酶解液脫氟率逐漸增加，添加量超過(guò)1%后，脫氟率隨添加量的增幅變緩，這與M.Islam等［6］的研究結(jié)果類似。M.Islam認(rèn)為，這可能是由于添加量大時(shí)反應(yīng)活性位點(diǎn)重疊，有效表面積減小的緣故。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，氯化鈣添加量過(guò)大會(huì)使酶解液有酸澀味和苦味，而且，氯化鈣作為食品加工助劑，國(guó)標(biāo)［7］中規(guī)定一般應(yīng)在制成最后成品之前除去，有規(guī)定食品中殘留量的除外。因而添加量并非越大越好，綜合考慮我們認(rèn)為氯化鈣添加量1%為宜。

圖1 氯化鈣添加量與脫氟率的關(guān)系

2.2.2 初始pH對(duì)脫氟率的影響 由圖2可知，隨著初始pH的升高，脫氟率呈先上升后穩(wěn)定不變的趨勢(shì)，在約pH8.5時(shí)首先達(dá)到最大脫氟率，其后脫氟率基本保持不變。這與王歆然等［8］的研究結(jié)果略有不同，王歆然等的研究表明，氯化鈣與原水中的氟反應(yīng)最佳pH為7.0～9.0，當(dāng)pH＞10時(shí)，氟的去除率大幅降低，認(rèn)為這與pH高時(shí)，Ca2+與OH-形成Ca(OH)2使Ca2+濃度降低有關(guān)。但是由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，pH＞10時(shí)，脫氟率沒(méi)有大的變化，推測(cè)是由于酶解液中大量的氨基酸小肽等起到緩沖作用的緣故。

圖2 初始pH對(duì)脫氟率的影響

2.2.3 沉降時(shí)間對(duì)脫氟率的影響 據(jù)文獻(xiàn)［9］報(bào)道，因?yàn)镃a2+和F-生成CaF2的反應(yīng)速度較慢，且形成的CaF2微細(xì)晶粒本身具有一定的溶解度，所以達(dá)到平衡時(shí)需較長(zhǎng)的時(shí)間，脫氟反應(yīng)的沉降時(shí)間對(duì)脫氟率有顯著影響。

由圖3可以看出，酶解液的吸附沉降反應(yīng)非常迅速，在0.5h時(shí)已經(jīng)基本達(dá)到平衡，延長(zhǎng)沉降時(shí)間對(duì)提高脫氟率無(wú)顯著作用(78.4%～80.4%)，這與M.Islam等［6］的研究結(jié)果基本相符。因此選定沉降最佳時(shí)間為0.5h。

圖3 沉降時(shí)間對(duì)脫氟率的影響

2.2.4 沉降溫度對(duì)脫氟率的影響 由圖4可以看出，脫氟率隨溫度升高而增大。沉降溫度由4℃上升至25℃時(shí)，脫氟率顯著提高;溫度超過(guò)30℃后，脫氟率隨溫度升高變化不大，這一結(jié)果與M.Islam等［6］的報(bào)道類似。由此推測(cè)氯化鈣沉脫氟離子脫氟過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程。

圖4 沉降溫度對(duì)脫氟率的影響

2.3 響應(yīng)面結(jié)果分析

響應(yīng)面的設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Bohnken設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值結(jié)果

2.3.1 方差分析 方差分析的結(jié)果見表3。

表3 方差分析

利用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析后，除去不顯著項(xiàng)AC得到模型的二次多項(xiàng)回歸方程為:

由表3可知，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.3381＜0.05)，而模型的P值＜0.0001，表明模型高度顯著。從表3還可以看出，因素一次項(xiàng)(A、B)、交互項(xiàng)(AB、BC)、二次項(xiàng)(A2、B2、C2)對(duì)結(jié)果影響是顯著的(P＜0.05)，一次項(xiàng)C對(duì)結(jié)果影響不顯著(P＞0.05)。同時(shí)，軟件分析的復(fù)相關(guān)系數(shù)R的的值為97.75%，表明模型擬合程度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用于對(duì)酶解液氯化鈣法脫氟進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.3.2 響應(yīng)曲面圖分析 手動(dòng)優(yōu)化后，回歸方程中的交互項(xiàng)所作的響應(yīng)面圖如圖5、圖6所示。

圖5 氯化鈣添加量與初始pH對(duì)脫氟率的影響

圖6 初始pH與反應(yīng)溫度對(duì)脫氟率的影響

由圖5、圖6可以看出，在所選范圍之內(nèi)，脫氟率隨氯化鈣添加量的增加和pH的升高而升高，隨溫度的升高先上升后下降。并且氯化鈣添加量與pH的交互作用比較顯著，溫度的影響不顯著，這與表3的結(jié)果一致。

2.3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通過(guò)Design Expert7.1.3軟件對(duì)經(jīng)手動(dòng)優(yōu)化后的回歸方程求解，在實(shí)驗(yàn)的因素水平范圍內(nèi)預(yù)測(cè)氯化鈣脫氟的最佳條件為:氯化鈣添加量1.38%，初始pH為9.0，反應(yīng)溫度20℃，此時(shí)的酶解液脫氟率達(dá)到89.43%。在此條件下，進(jìn)行三次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的脫氟率為87.54%，與理論預(yù)測(cè)值基本吻合，平均誤差為2.11%，說(shuō)明手動(dòng)優(yōu)化后的回歸方程對(duì)磷蝦酶解液氯化鈣脫氟的分析和預(yù)測(cè)都非?？煽俊?/p>

2.4 脫氟過(guò)程中酶解液中氨基氮的變化

單因素實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)酶解液總氮和氨基氮指標(biāo)的檢測(cè)表明，氯化鈣法脫氟對(duì)酶解液的營(yíng)養(yǎng)成分影響不顯著(總氮損失約5%，氨基氮約3%)。圖7是響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)中氨基氮損失率與脫氟率的關(guān)系圖，由圖7可見，在氯化鈣法脫氟的過(guò)程中，氨基氮損失隨脫氟率的增加而呈增加趨勢(shì)，但是損失率僅在3%左右，表明該方法對(duì)酶解液的主要營(yíng)養(yǎng)成分破壞不顯著，是比較理想的脫氟方法。

圖7 氨基氮損失率與脫氟率的關(guān)系

3 結(jié)論

通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化得到對(duì)南極磷蝦酶解液氯化鈣法脫氟的最佳工藝為:氯化鈣添加量1.38%，初始pH9.0，反應(yīng)溫度20℃。經(jīng)驗(yàn)證，脫氟后酶解液氟含量為 8.3mg/L，實(shí)際脫氟率達(dá)到理論預(yù)測(cè)值的97.89%。氯化鈣法脫氟過(guò)程對(duì)酶解液氨基氮、總氮的影響都比較小，是一種較為理想的脫氟方法，對(duì)南極磷蝦酶解液的進(jìn)一步開發(fā)利用和安全食用有重要意義。

研究中發(fā)現(xiàn)，酶解液在氯化鈣法脫氟處理后略有苦味澀味，在進(jìn)一步開發(fā)時(shí)需要將殘存的鈣離子除去或通過(guò)調(diào)味、添加掩蔽劑等掩蔽苦味，這將是今后研究中著重解決的問(wèn)題。

［1］任艷.南極磷蝦蛋白加工利用的初步研究［D］.中國(guó)海洋大學(xué)，2009.

［2］Meenakshi R C.Maheshwari.Fluoride in drinking water and its removal［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137:456-463.

［3］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 4809-1984食品中氟允許量標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984.

［4］陸英，劉仲華.茶葉中氟的研究進(jìn)展［J］.吉首大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，25(4):84-88.

［5］陳后興，羅仙平，劉立.含氟廢水處理研究進(jìn)展［J］.四川有色金屬，2006(1):31-35.

［6］Islam R K.Patel.Evaluation of removal efficiency of fluoride from aqueous solution using quick lime［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，143:303-310.

［7］中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 2760-2007食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［8］王歆然，石健，嚴(yán)淑，等.pH對(duì)氯化鈣除氟效率的影響研究［J］.消費(fèi)導(dǎo)刊，2008(7):71-72.

［9］劉慶斌.無(wú)機(jī)含氟廢水處理的研究進(jìn)展［J］.黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(4):7-10.

Study on defluoridation technology of antarctic krill hydrolyzate by adding calcium chloride

LI Hong-yan，XUE Chang-hu，WANG Ling-zhao，WANG Yu-ming，XUE Yong
(College of Food Science and Technology，Ocean University of China，Qingdao 266003，China)

Seeking a solution to the excessive content of fluoride in antarctic krill(Euphausia superba)hydrolyzate，the technology of adding calcium chloride to the hydrolyzate to lower the fluoride content was studied.Taking defluoridation rate as the evaluation index，the condition of defluoridation was optimized through response surface methodology.The results showed that the defluoridation condition was optimal when adding amount of calcium chloride was 1.38%(m/v)，initial pH was 9.0，and reaction temperature was 20℃.Under that condition，the defluoridation rate was 89.43%.Besides，the defluoridation process had insignificant effect on amino nitrogen and total nitrogen content of the hydrolyzate，suggesting that this would be an ideal method of defluoridation.

antarctic krill;hydrolyzate;response surface methodology;defluoridation;calcium chloride

TS254.1

B

1002-0306(2011)03-0330-04

南極磷蝦是21世紀(jì)人類巨大的蛋白庫(kù)，其開發(fā)利用有著廣闊的前景。任艷［1］等對(duì)南極磷蝦進(jìn)行酶解獲得磷蝦蛋白酶解液，蛋白回收率可達(dá)到80%以上，是一種較為理想的磷蝦蛋白利用方式。但是，磷蝦酶解液存在氟含量過(guò)高的問(wèn)題(氟含量達(dá)50～60mol/L)。氟是一種具有雙閾值性質(zhì)的微量生命元素，攝入量過(guò)高會(huì)引起氟斑牙、氟骨病等一系列疾?。?］。GB4809-1984規(guī)定了食品中氟允許量的標(biāo)準(zhǔn)［3］，要求魚類(淡水)氟含量應(yīng)小于2.0mg/kg，而海產(chǎn)品由于地域差異導(dǎo)致氟含量變化很大，難以規(guī)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)衛(wèi)生部食品氟允許量制定協(xié)作組于1981年規(guī)定，每人每天攝取氟的安全限量為3.5mg［4］。為達(dá)到安全食用的要求，需要對(duì)磷蝦酶解液中的氟進(jìn)行脫除。鈣鹽沉淀法是化學(xué)沉降脫氟的常規(guī)處理方法，其原理是Ca2++2F-=CaF2↓。該方法具有簡(jiǎn)單、處理方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)處理含氟廢水中得到廣泛應(yīng)用［5］。本研究采用氯化鈣法對(duì)南極磷蝦酶解液進(jìn)行脫氟，并對(duì)影響脫氟效果的因素(添加量、溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間等)進(jìn)行研究，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到最佳脫氟工藝，為進(jìn)一步探索磷蝦酶解液的加工利用，達(dá)到安全食用的要求做準(zhǔn)備。

2010-03-26

李紅艷(1988-)，女，碩士研究生，研究方向:水產(chǎn)品加工與貯藏。